CFB爐渣在臺背回填中的應用

高志兵

（山西路橋集團 呂梁國道項目建設管理有限公司，山西 呂梁 033099）

0 引言

循環流化床（簡稱CFB）鍋爐燃燒技術是一種潔凈燃煤技術，常被用于煤矸石、煤泥等低熱值燃料的發電，與普通燃煤電廠煤粉爐相比，具有燃燒適應性廣，燃燒強度大等優勢，但是CFB技術也存在灰渣排放量大（其排放量是普通燃煤電廠粉煤灰的2倍左右），且難以利用的問題。這主要是因為CFB鍋爐溫度僅850℃～900℃，且采用爐內噴鈣脫硫工藝，從而導致產生的CFB灰渣與傳統的1 250℃的燃煤爐所產生的粉煤灰有很大的差別，主要表現在SO3、f-CaO含量高、需水量大、含碳量較高等，導致其無法如煤粉爐粉煤灰一樣應用于水泥混凝土等領域，多采用填埋方式處置，不僅處置費用較高而且長期堆存會污染環境[1]。國道209線呂梁新城區（方山縣城至中陽金羅鎮）段公路改線工程（以下簡稱“G209呂梁改線工程”）因地形原因設計橋涵眾多，臺背回填土方用量大，但由于素土承載比較低，用于臺背回填時需添加4%水泥或者石灰進行改良，不僅施工綜合成本較高，且實際施工過程中，少量的水泥很難在土中分散均勻，導致形成的路床均勻性差。而毗臨的大土河熱電廠，每年排放200萬噸CFB爐渣難以利用。鑒于上述情況，本項目研究了CFB爐渣對土的增強改性作用，以期用CFB爐渣改良土，替代水泥處治土，用于臺背回填，實現CFB爐渣大量利用，達到提高工程質量降低工程造價的目的。

1 CFB爐渣基本特性

CFB爐渣是低熱值燃料煤矸石等在循環流化床鍋爐燃燒發電后產生的殘渣，其化學物理特性如下。

1.1 化學成分

表1 CFB爐渣的化學組成

CFB爐渣與普通煤灰爐粉煤灰相比含有較多的CaSO4和游離的CaO。游離的CaO可激發脫硫灰渣中的SiO2和活性Al2O3，生成具有一定水硬性的凝膠類物質，所以CFB爐渣具有一定的自硬性[2]。

1.2 物理特性

CFB爐渣呈砂狀，具有連續級配，最大粒徑10 mm（如圖1和表2所示）。

表2 爐渣級配

圖1 CFB爐渣顆粒形貌

2 CFB爐渣改良土試驗

2.1 爐渣摻量對CFB爐渣改良土擊實特性的影響

為研究爐渣的摻入對土擊實特性的影響，設計了0%、20%、30%、40%、50%、60%系列爐渣摻量配合比，并通過重型擊實試驗確定了不同爐渣摻量對應的擊實曲線圖，如圖2所示。

圖2 不同爐渣摻量擊實曲線

從圖2可以看出，隨著爐渣的摻入，混合料的最大干密度降低，最佳含水率也略有提高，這是爐渣輕質、多孔吸水、保水特性導致，一定程度上可降低土體自重，和施工過程中水分散失的速率。從整體曲線變化趨勢來看，爐渣改良土與素土差異較小，且擊實后試件較為密實，擊實效果良好。

2.2 爐渣摻量對CFB爐渣改良土承載比（CBR值）的影響

CBR（加州承載比）是評定路基及路面材料承載能力的指標，《公路路基設計規范》（JTG D30—2004）中路基填料的最高強度要求為CBR值8%，為研究爐渣對土的改良增強作用，測定了上述系列CFB摻量爐渣改良土的CBR值，試驗結果如表3所示。

表3 爐渣摻量與改良土CBR的關系

可以看出：

a）CFB爐渣的摻入可顯著提高土體的CBR值，爐渣摻量大于30%時，土體CBR值大幅提高至30%以上，遠超臺背回填材料承載比要求。

b）CFB灰渣的摻入可使土體容重降低，膨脹率也有所降低，表明CFB改良土自重小，且不易遇水軟化膨脹。

c）爐渣摻量30%的CBR試件貫入試驗后形變量小，脫模后測定了無側限抗壓強度，可達0.5 MPa，充分證明CFB爐渣土可顯著提高土體承載能力，對土的改良作用效果顯著。

3 CFB爐渣改良土用于臺背回填的工程試驗研究

為研究CFB爐渣改良土用于臺背回填的施工特性和路用性能，在施工現場蓋板涵臺背進行了試驗段鋪筑。

3.1 原材料

3.1.1 素土

素土取自施工附近，天然含水量8.2%，堆積密度1.02 g/cm3，液限30，塑限18，塑性指數12，根據《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）判定為低液限黏土。

3.1.2 CFB爐渣

CFB爐渣取自項目周邊晉能大土河熱電廠，呈砂狀顆粒，最大粒徑10 mm，堆積密度為1.10～1.30 g/cm3。

3.2 對30%爐渣改良土與素土基本特性比較

3.2.1 塑性指數的測定

為驗證爐渣摻入是否引起土質的改變，測定了30%爐渣改良土的塑性指數，并與素土進行了對比，試驗結果見表4。同時，考慮到爐渣改性作用具有一定的時效，延長標準液塑限試驗悶料時間從18 h至72 h，悶料后土體結成硬塊。

表4 液塑限測定結果

可見，爐渣的摻入在短時間內不會改變素土為低液限黏土的本質，但經過3 d以上作用時間，其與土發生類似于水泥改良土的化學板結作用，不再適合采用塑性指數這一研究素土特性的指標進行評價。

3.2.2 滲透性的評估

為模擬爐渣改良土的滲透性，將素土與30%爐渣改良土按照路面基層水穩試件的成型方法，并借鑒瀝青混凝土滲水試驗評估土體的滲透性。

一般的瀝青混凝土滲水系數為300 mL/min或者200 mL/min，但對于爐渣土與素土，滲水10 min僅8 mL，可見其基本不具透水性，這主要是因為爐渣改良土仍以素土為主，而工程取樣素土為黏土，本身具有良好抗滲性。

結合爐渣土與素土的塑性指數和滲水性可以看出：爐渣的摻入在早期未改變素土基本物理特性，但是經過3 d以上相互反應后，會形成較強化學板結作用，從而提高土體的密實度和強度。

3.2.3 30%爐渣改良土CBR值

取施工用土和CFB爐渣，測定了30%爐渣改良土的CBR值，并與素土作了對比，結果見表5。

表5 爐渣改良土CBR值驗證試驗結果

試驗結果表明：當壓實度為設計值96%時，素土CBR值為13.8%，CFB爐渣改良土的CBR值為28.3%，提高2倍多，完全滿足臺背回填CBR值的設計要求，對于試驗段工程用土，可采用30%爐渣進行改良。

3.3 施工過程與檢測

為提高爐渣與土的拌合均勻性，施工時采用場外預拌，悶料，運輸至現場攤鋪碾壓的工藝。

3.3.1 混合料的拌合

按施工配合比用裝載機將土與CFB干拌3次，以土的天然含水量和混合料最佳含水量為依據進行補水并悶料5 h，再濕拌5次，通過自卸車運輸至現場。

3.3.2 攤鋪

攤鋪時采用人工配合裝載機初平，平地機精平，最后人工修整邊部的方法。根據試驗段檢測，實測松鋪厚度26 cm，壓實厚度20 cm，松鋪系數為1.3。

3.3.3 碾壓

碾壓采用振動壓路機進行，碾壓時，振動輪邊部距離涵洞臺身不得小于50 cm空隙，空隙部分由挖掘機帶振動夯進行夯實（也可以由裝載機帶振動夯夯實）。

由于試驗段寬度較小，碾壓時錯輪量小，振壓遍數太多時出現了表層起皮和表面裂紋現象，建議施工時增大錯輪量至1/3～1/2，并在收面時關閉振動采用靜壓方式，以消除輪跡相近造成的擠壓開裂。

試驗段現場采用灌砂法測得壓實度為96.5%。從壓實度挖洞觀察，距離下層較近的位置也已密實,表明此壓實工藝效果良好，能夠滿足臺背回填的壓實度設計要求。

4 結論

綜上所述，CFB爐渣改良土新型材料的開發，一方面解決了CFB爐渣無法低成本高效率處理的難題，促進煤炭清潔利用的發展；另一方面減少臺背回填對沙礫或者水泥等材料的消耗，同時減少了爐渣堆存和水泥等材料生產加工時造成的環境污染，有利于資源節約和環境保護。